FR2828131A1 - Manufacture of large components from resin-impregnated composition materials by Resin Transfer Molding (RTM) and frontal injection - Google Patents

Abstract

The procedure consists of placing fibre reinforcing elements (5) inside a Resin Transfer Molding (RTM) mold, using frontal injection of resin as a vacuum is created in the mold. The resin flows through an inner fabric drainage layer (4), is pumped through an outer fabric drainage layer (6), impregnates the reinforcing elements (5), then is polymerized and the component is removed from the mold. The procedure consists of placing fibre reinforcing elements (5) inside an RTM mold with a matrix (1), a die (2), injection (7) and recuperation (8) channels, using frontal injection of resin as a vacuum is created in the mold. The resin flows through an inner fabric drainage layer (4) and is pumped through an outer fabric drainage layer (6), impregnating the reinforcing elements (5). The resin is then polymerized and the composition component removed from the mold. The drainage fabric layers can form an integral part of the component being manufactured, and the flow of resin through the reinforcing elements can be enhanced by a vacuum created in a recuperation channel (8). For very large components ducts which act as vents can be used to produce a vacuum and for injection, and the insertion and impregnation of reinforcing elements can be carried out in phases.

Description

<Desc/Clms Page number 1> <Desc / Clms Page number 1>

L'invention concerne une méthode de fabrication d'une pièce en matériaux composites, sandwich ou monolithique, de très grandes dimensions obtenue par le procédé R. T. M. et outillage pour sa mise en oeuvre. The invention relates to a method of manufacturing a part made of composite materials, sandwich or monolithic, of very large dimensions obtained by the R.T.M process and tools for its implementation.

Le procédé R. T. M consiste à injecter de la résine dans un moule fermé dans lequel ont été préalablement placées des fibres de renforcement telles que des fibres de verre, de carbone ou d'aramide. The R. T. M process consists of injecting resin into a closed mold in which reinforcing fibers such as glass, carbon or aramid fibers have been previously placed.

L'écoulement de la résine à travers un renfort placé dans un moule est caractérisé par sa perméabilité K.

The flow of the resin through a reinforcement placed in a mold is characterized by its permeability K.

Oat A. AP K= perméabilité (m2) Q= Débit (m3. s) 11= Viscosité (Pa. s) Al= Longueur d'écoulement (m) A= Section (m2) AP= Perte de charge (Pa)

La loi de Darcy simplifiée, met en relation la perméabilité avec la perte charge (correspondant à l'élévation de pression dans l'outillage), la viscosité de la résine, la section de la zone d'écoulement, la longueur d'écoulement et le débit. Oat A. AP K = permeability (m2) Q = Flow (m3. S) 11 = Viscosity (Pa. S) Al = Flow length (m) A = Section (m2) AP = Pressure drop (Pa)

Darcy's law simplified, relates the permeability with the pressure drop (corresponding to the pressure rise in the tool), the viscosity of the resin, the section of the flow zone, the flow length and the flow.

Les résultats de cette loi permettent de déterminer, en fonction du cahier des charges, le choix de la technologie et le type de moule à utiliser. The results of this law make it possible to determine, according to the specifications, the choice of technology and the type of mold to be used.

En augmentant les dimensions de la pièce en matériaux composites à réaliser, on augmente la longueur d'écoulement. La pression à l'intérieur du moule croît ainsi proportionnellement pour une perméabilité, un débit, une viscosité, et une section constante. By increasing the dimensions of the part made of composite materials to be produced, the flow length is increased. The pressure inside the mold thus increases proportionally for a permeability, a flow rate, a viscosity, and a constant section.

La technologie actuelle du RTM est limitée par cette augmentation de pression. En effet, ce procédé impose un entrefer constant dans un moule qui possède des limites de résistance mécanique à la pression. Selon la loi de Darcy simplifiée, si la pression est limitée, la longueur de l'écoulement devra être réduite. On ne peut donc pas, avec la technologie actuelle du RTM, augmenter la longueur d'écoulement pour tous les types de renforts et de sections. Current RTM technology is limited by this increase in pressure. Indeed, this process imposes a constant air gap in a mold which has limits of mechanical resistance to pressure. According to simplified Darcy's law, if the pressure is limited, the length of the flow should be reduced. It is therefore not possible, with current RTM technology, to increase the flow length for all types of reinforcements and sections.

<Desc/Clms Page number 2> <Desc / Clms Page number 2>

De plus, pour chaque renfort et chaque configuration, il existe une pression maximale à laquelle le renfort peut être soumis sans déformation. Au-delà de cette limite de déformabilité, le renfort est déplacé. In addition, for each reinforcement and each configuration, there is a maximum pressure to which the reinforcement can be subjected without deformation. Beyond this limit of deformability, the reinforcement is displaced.

La technique de l'infusion regroupe les opérations suivantes : dépôt des renforts, d'un tissu de délaminage et d'un tissu de drainage, injection en en des points multiples suivant la surface à imprégner et mise sous vide. Le tissu de drainage ne fait donc pas partie intégrante des renforts de la pièce produite et cette technique impose l'utilisation d'une multitude de points d'injection et de consommables. The infusion technique includes the following operations: deposition of reinforcements, delamination fabric and drainage fabric, injection at multiple points depending on the surface to be impregnated and placed under vacuum. The drainage fabric is therefore not an integral part of the reinforcements of the part produced and this technique requires the use of a multitude of injection points and consumables.

Toutes les tentatives pour réaliser une pièce en matériaux composites de grandes dimensions en RTM, n'ont pu aboutir dans de bonnes conditions, compte tenu notamment des problèmes posés par l'augmentation de la pression dans l'outillage. All the attempts to produce a part made of large composite materials in RTM have been unsuccessful under good conditions, taking into account in particular the problems posed by the increase in pressure in the tooling.

Le problème à la base de l'invention est de mettre en place une méthode et un moule pour la fabrication de pièces en matériaux composites monolithiques ou sandwich de grandes dimensions dans le procédé RTM, permettant de surmonter les inconvénients précités. The problem underlying the invention is to set up a method and a mold for the production of large monolithic or sandwich composite parts in the RTM process, making it possible to overcome the aforementioned drawbacks.

L'invention propose à cet effet une méthode pour la fabrication de pièces en matériaux composites à grandes dimensions en RTM, qui comprend les opérations suivantes ; (a) Mise en place des renforts à l'intérieur du moule RTM ; (b) Injection frontale de la résine dans un moule dans lequel le vide est tiré ; (c) Ecoulement de la résine à travers un tissu de drainage intérieur ; (d) Pompage de la résine à travers le tissu de drainage situé au-dessus des renforts ; (e) Imprégnation des renforts ; (f) Phase de polymérisation de la résine ; (g) Démoulage de la pièce en matériaux composites ; To this end, the invention proposes a method for the production of parts made of large composite materials in RTM, which comprises the following operations; (a) Installation of reinforcements inside the RTM mold; (b) frontal injection of the resin into a mold into which the vacuum is drawn; (c) flow of the resin through an interior drainage fabric; (d) Pumping the resin through the drainage fabric located above the reinforcements; (e) Impregnation of reinforcements; (f) polymerization phase of the resin; (g) demolding of the part in composite materials;

<Desc/Clms Page number 3><Desc / Clms Page number 3>

Ainsi, malgré les grandes dimensions, l'écoulement de la résine est facilité par les tissus de drainage sans induire de pression importante. En effet d'après la loi de Darcy simplifiée, les tissus de drainage, possédant une perméabilité très importante dans toutes les directions, n'induisent pas de fortes pressions. De plus les tissus de drainage font partie intégrante des renforts de la pièce injectée.  Thus, despite the large dimensions, the flow of the resin is facilitated by the drainage fabrics without inducing significant pressure. In fact, according to Darcy's simplified law, the drainage fabrics, having a very high permeability in all directions, do not induce strong pressures. In addition, the drainage fabrics are an integral part of the reinforcements of the injected part.

L'utilisation de tissu de drainage repousse les limites posées par la loi de Darcy. Cependant même si les limites ont été contournées, il existe des problèmes d'injectabilité pour certaines pièces de plus grandes dimensions Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, dans le cas de dimensions importantes, les opérations (b), (c), (d) et (e) peuvent être répétées afin de diviser la longueur d'écoulement totale en sections. Un conduit ayant une fonction d'évent permet de tirer le vide et/ou d'injecter en fin de chaque section. The use of drainage fabric pushes the limits posed by Darcy's law. However even if the limits have been circumvented, there are problems of injectability for certain parts of larger dimensions. In a preferred embodiment of the invention, in the case of large dimensions, the operations (b), (c) , (d) and (e) can be repeated to divide the total flow length into sections. A pipe with a vent function allows to draw the vacuum and / or inject at the end of each section.

L'injection d'une pièce avec des renforts de perméabilité et des épaisseurs différentes est difficilement réalisable avec la technologie RTM d'aujourd'hui car l'écoulement de la résine ne se fait alors pas de façon homogène. Un flux de résine n'imprégnant pas de façon homogène les renforts risque d'enfermer des bulles d'air et de laisser des zones de renforts sèches. The injection of a part with reinforcements of permeability and different thicknesses is difficult to achieve with RTM technology today because the flow of resin is not then homogeneous. A flow of resin which does not uniformly permeate the reinforcements risks enclosing air bubbles and leaving areas of reinforcements dry.

Une autre caractéristique de l'invention permet de réaliser une pièce en matériaux composites de grandes dimensions avec des types de renfort et des sections variables. Les sections d'injection correspondent alors aux zones caractéristiques du renfort et de l'entrefer. Another characteristic of the invention makes it possible to produce a piece of composite materials of large dimensions with types of reinforcement and variable sections. The injection sections then correspond to the characteristic zones of the reinforcement and the air gap.

Dans une autre variante de l'invention, dans le cas d'une pièce en matériaux composites de grande largeur et de grande longueur, on peut utiliser une injection frontale séquentielle séparée. In another variant of the invention, in the case of a part made of composite materials of great width and great length, it is possible to use a separate sequential frontal injection.

Pour chaque zone d'injection, l'écoulement se fait par l'intermédiaire de tissus de drainage et à l'aide du vide. En fonction de la géométrie de la pièce, des types de renforts utilisés et des épaisseurs désirées, il est possible de combiner l'injection frontale séquentielle séparée et l'injection répétée (découpage des longueurs d'écoulement à l'aide d'un évent et d'un conduit d'injection par section). For each injection area, the flow takes place via drainage fabrics and using a vacuum. Depending on the geometry of the part, the types of reinforcements used and the desired thicknesses, it is possible to combine the separate sequential frontal injection and the repeated injection (cutting the lengths of flow using a vent and one injection pipe per section).

Les principaux avantages de l'invention, en comparaison avec le procédé RTM classique, sont les suivants : The main advantages of the invention, in comparison with the conventional RTM process, are as follows:

<Desc/Clms Page number 4><Desc / Clms Page number 4>

Augmentation des dimensions (longueur et/ou largeur) de la pièce réalisée sans pression trop importante dans l'outillage.  Increase in dimensions (length and / or width) of the part produced without excessive pressure in the tooling.

Diminution du temps de cycle apporté par une perméabilité plus importante au moment de l'injection ; Suppression des risques de bulles d'air à l'intérieur de la pièce et de non imprégnation des renforts par la résine et de déplacement du sandwich ; Réalisation d'une pièce avec des types de renforts et des épaisseurs variables ; Réduction du coût de l'outillage de part l'utilisation d'outillages légers. Reduction in cycle time brought about by greater permeability at the time of injection; Elimination of the risks of air bubbles inside the part and of non-impregnation of the reinforcements by the resin and displacement of the sandwich; Realization of a part with types of reinforcements and variable thicknesses; Tool cost reduction through the use of light tools.

Par l'expression injection frontale séquentielle séparée , on entend désigner une injection par l'intermédiaire d'un canal divisé en plusieurs parties. L'injection de chaque partie est contrôlée afin que l'écoulement de la résine se fasse de la façon la plus homogène possible dans chaque type de renfort et/ou zone d'épaisseur. By the expression separate sequential frontal injection is meant an injection via a channel divided into several parts. The injection of each part is controlled so that the flow of the resin takes place as homogeneously as possible in each type of reinforcement and / or thickness zone.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, dans le cas d'une pièce en sandwich, il sera possible de contrôler l'écoulement de la résine au-dessus et au-dessous de l'âme sandwich en cloisonnant cette âme. Si le flux de résine est plus rapide sur l'un des cotés du sandwich, les cloisons constituées de renfort offriront à la résine d'autres zones d'imprégnations. Ainsi l'écoulement de la résine s'effectuera de façon plus homogène en réduisant le risque d'enfermer des bulles d'air, et plus équilibré afin de ne pas déplacer le sandwich dans le moule. In a preferred embodiment of the invention, in the case of a sandwich part, it will be possible to control the flow of the resin above and below the sandwich core by partitioning this core. If the resin flow is faster on one side of the sandwich, the partitions made of reinforcement will provide the resin with other impregnation zones. Thus the flow of the resin will be more homogeneous, reducing the risk of trapping air bubbles, and more balanced so as not to move the sandwich in the mold.

Eventuellement on pourra rainurer l'âme du sandwich et/ou de s'aider des effets gravitationnels pour faciliter l'écoulement de la résine. Optionally, it will be possible to groove the core of the sandwich and / or to use gravitational effects to facilitate the flow of the resin.

Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 représente la section d'un moule RTM à injection frontale, comprenant une âme sandwich pour la pièce ; - La figure 2, représente la section d'un moule RTM à injection frontale, pour une pièce monolithique ; In the description which follows, given solely by way of example, reference is made to the appended drawings, in which:
FIG. 1 represents the section of a RTM mold with front injection, comprising a sandwich core for the part; - Figure 2 shows the section of a RTM mold with frontal injection, for a monolithic part;

<Desc/Clms Page number 5><Desc / Clms Page number 5>

- La figure 3, représente l'écoulement de la résine à travers les tissus de drainage et les renforts ; - La figure 4, représente la section d'un moule RTM à injection répétée, comprenant une âme sandwich pour la pièce ; - La figure 5, représente la section d'un moule RTM à injection répétée, comprenant une âme sandwich pour la pièce et des cloisons pour un meilleur équilibrage du flux ; - La figure 6, représente une vue de dessus d'un moule RTM combinant l'injection séquentielle séparée et l'injection répétée.  - Figure 3 shows the flow of resin through the drainage fabrics and reinforcements; - Figure 4 shows the section of an RTM mold with repeated injection, comprising a sandwich core for the part; - Figure 5 shows the section of a RTM mold with repeated injection, comprising a sandwich core for the part and partitions for better balancing of the flow; - Figure 6 shows a top view of an RTM mold combining separate sequential injection and repeated injection.

On décrira maintenant simultanément la méthode de fabrication et le moule d'une pièce en matériaux composites à grandes dimensions à l'aide du procédé RTM et de tissus de drainage aux figures 1 et 2 Le moule RTM représenté figure 1 (structure sandwich) et figure 2 (structure monolithique), est constitué d'une matrice (1) et d'un poinçon (2). L'étanchéité est réalisée par le joint (11). We will now describe simultaneously the manufacturing method and the mold of a large composite part using the RTM process and drainage fabrics in Figures 1 and 2 The RTM mold shown in Figure 1 (sandwich structure) and Figure 2 (monolithic structure), consists of a matrix (1) and a punch (2). The seal is produced by the seal (11).

L'injection, par le conduit (9), s'effectue de façon frontale par l'intermédiaire du canal d'injection (7) qui a pour but de diriger la résine directement sur le tissu de drainage (4). The injection, via the conduit (9), is carried out frontally via the injection channel (7) which aims to direct the resin directly onto the drainage fabric (4).

Une fois la résine présente dans le tissu de drainage (4), figure 3, elle traverse le renfort (5) puis s'écoule enfin dans le tissu de drainage (6) qui a pour fonction de pomper la résine présente dans le tissu de drainage (4) afin qu'elle imprègne les fibres de renforcements (5). La résistance s'opposant à l'écoulement de la résine d'une couche à l'autre est moins importante que celle s'opposant à l'écoulement de la résine tout au long du tissu de drainage (4). Once the resin is present in the drainage fabric (4), Figure 3, it crosses the reinforcement (5) then finally flows into the drainage fabric (6) which has the function of pumping the resin present in the drainage fabric drainage (4) so that it permeates the reinforcing fibers (5). The resistance opposing the flow of the resin from one layer to the other is less important than that opposing the flow of the resin along the drainage fabric (4).

La résine continue d'imprégner les renforts jusqu'à son arrivée dans le canal de récupération (8) raccordé au conduit (10) qui permet de tirer le vide à l'aide d'un évent. The resin continues to impregnate the reinforcements until it arrives in the recovery channel (8) connected to the conduit (10) which makes it possible to draw the vacuum using a vent.

Dans une forme préférée de réalisation de la figure 4, à laquelle on se réfère maintenant, on répète le procédé précédent dans le cas de pièce de dimensions plus importante. Comme précédemment la résine s'écoule à travers les renforts (5) grâce aux tissus de drainage (4) et (6). In a preferred embodiment of FIG. 4, to which we now refer, the preceding process is repeated in the case of a piece of larger dimensions. As before, the resin flows through the reinforcements (5) thanks to the drainage fabrics (4) and (6).

Le vide est tiré à partir du conduit (13). Une fois la résine arrivée jusqu'à l'évent du conduit (13), on injecte à nouveau, au niveau du tissu de drainage (4), par ce conduit. Ce passage d'une The vacuum is drawn from the conduit (13). Once the resin has reached the vent of the conduit (13), it is injected again, at the drainage fabric (4), through this conduit. This passage from

<Desc/Clms Page number 6><Desc / Clms Page number 6>

fonction d'évent à une fonction d'injection s'effectue de façon visuelle et manuelle ou automatique. On répète cette opération au niveau des conduits (14) et (15).  vent function to an injection function is carried out visually and manually or automatically. This operation is repeated at the conduits (14) and (15).

La dernière étape se termine par la récupération de la résine, par l'évent placé au niveau du conduit (10), dans le canal de récupération (8). Le nombre total d'étapes est fonction de la taille de la pièce. The last step ends with the recovery of the resin, by the vent placed at the level of the conduit (10), in the recovery channel (8). The total number of steps depends on the size of the room.

Dans le cas d'une pièce sandwich (figure 5), l'âme de la pièce est cloisonnée par des renforts drainant à haute perméabilité (16). Le flux de résine est alors homogénéisé, réduisant le risque d'enfermement et équilibré, réduisant le risque de déplacement du sandwich dans le moule. In the case of a sandwich part (FIG. 5), the core of the part is partitioned by draining reinforcements with high permeability (16). The resin flow is then homogenized, reducing the risk of confinement and balanced, reducing the risk of displacement of the sandwich in the mold.

Lors de la fabrication d'une pièce en matériaux composites de grande largeur et grande longueur, figure 6, il est nécessaire de combiner la méthode de l'injection répétée avec l'injection séquentielle séparée. Pour cela on sectionne le canal d'injection (17) en cellules (19) à l'aide de joints (22). Le vide est tiré depuis la canal de récupération (18), lui-même découpée en cellules (20). La résine pénètre dans la première cellule (19) et s'écoule à travers les renforts (5). Le vide est tiré depuis la cellule (20) afin que la résine s'écoule préférentiellement dans le sens des Y. When manufacturing a part made of composite materials of great width and great length, FIG. 6, it is necessary to combine the method of repeated injection with separate sequential injection. For this, the injection channel (17) is sectioned into cells (19) using seals (22). The vacuum is drawn from the recovery channel (18), itself cut into cells (20). The resin enters the first cell (19) and flows through the reinforcements (5). The vacuum is drawn from the cell (20) so that the resin flows preferentially in the Y direction.

Des conduits (21) sont disposés le long du trajet de la résine afin de pouvoir tirer le vide localement et injecter, réduisant ainsi les longueur d'écoulement. Après déclenchement, la résine remplie la cellule (23) pour suivre le même processus. Conduits (21) are arranged along the path of the resin so that the vacuum can be drawn locally and injected, thereby reducing the length of flow. After triggering, the resin fills the cell (23) to follow the same process.

La pièce est totalement injectée lorsque la résine issue de la dernière cellule d'injection est récupérée dans la dernière cellule de vide.The part is fully injected when the resin from the last injection cell is recovered in the last vacuum cell.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Méthode de fabrication d'une pièce en matériaux composites de grandes dimensions obtenue par le procédé RTM, caractérisée en ce qu'elle comprend les opérations suivantes : (a) Mise en place des renforts (5) à l'intérieur du moule RTM ; (b) Injection frontale de la résine dans un moule dans lequel le vide est tiré ; (c) Ecoulement de la résine à travers un tissu de drainage intérieur (4) ; (d) Pompage de la résine par le tissu de drainage (6) situé au-dessus des renforts (5) ; (e) Imprégnation des renforts (5) ; (f) Phase de polymérisation de la résine ; (g) Démoulage de la pièce en matériaux composites. CLAIMS 1. Method of manufacturing a part made of large composite materials obtained by the RTM process, characterized in that it comprises the following operations: (a) Installation of reinforcements (5) inside the mold RTM; (b) frontal injection of the resin into a mold into which the vacuum is drawn; (c) flow of the resin through an interior drainage fabric (4); (d) Pumping of the resin by the drainage fabric (6) located above the reinforcements (5); (e) Impregnation of the reinforcements (5); (f) polymerization phase of the resin; (g) Demoulding of the part in composite materials. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations (c) et (d) sont réalisées à l'aide de tissus de drainage (4) et (6) qui feront partie intégrante des renforts de la pièce. 2. Method according to claim 1, characterized in that the operations (c) and (d) are carried out using drainage fabrics (4) and (6) which will form an integral part of the reinforcements of the part. 3. Procédé selon les revendications 1, caractérisé en ce que l'écoulement de la résine à travers les renforts (5) est facilité par le vide effectué depuis le canal de récupération (8). 3. Method according to claims 1, characterized in that the flow of the resin through the reinforcements (5) is facilitated by the vacuum created from the recovery channel (8). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur d'écoulement est réduite, dans le cas de pièce de très grandes dimensions, par des conduits (13), (14) et (15) ayant une fonction d'évent pouvant tirer le vide et d'injection. 4. Method according to claim 3, characterized in that the flow length is reduced, in the case of very large part, by conduits (13), (14) and (15) having a vent function able to draw vacuum and injection. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les opérations (a) à (e) sont combinées avec une injection séquentielle séparée en cellules dans le cas de pièces de grande largeur et de grande longueur. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the operations (a) to (e) are combined with a sequential injection separated into cells in the case of parts of large width and length. 6. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4 comprenant une matrice (l), un poinçon (2), un canal d'injection (7), un canal de récupération (8) et des conduits (13), ayant une fonction d'évent pour tirer le vide et d'injection. 6. A mold for implementing the method according to claim 4 comprising a matrix (l), a punch (2), an injection channel (7), a recovery channel (8) and conduits (13), having a vent function to draw the vacuum and injection. 7. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication (6) comprenant un canal d'injection (17) séparé en cellules (19), un canal de récupération découpé (18) en cellules (20) et des conduits (21) ayant une fonction d'évent pour tirer le vide et d'injection.7. Mold for implementing the method according to claim (6) comprising an injection channel (17) separated into cells (19), a recovery channel cut out (18) into cells (20) and conduits (21 ) having a vent function to draw the vacuum and injection.